光電傳感與檢測-第章-緒論

光電傳感與檢測--第章-緒論第一頁，共43頁。目錄第1章概論第2章光電檢測技術(shù)基礎(chǔ)第3章光電檢測系統(tǒng)第4章紅外傳感與檢測技術(shù)第5章激光傳感與檢測技術(shù)第6章光纖傳感與檢測技術(shù)第7章光柵傳感與檢測技術(shù)第8章光電新技術(shù)的應(yīng)用

第二頁，共43頁。第1章概論第三頁，共43頁。

微電子技術(shù)：通過控制固體內(nèi)電子的微觀運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的加工處理，并在固體的微區(qū)（小到幾個(gè)晶格）內(nèi)進(jìn)行，將一個(gè)電子功能部件甚至一個(gè)系統(tǒng)集成在一個(gè)很小的芯片上。

光子信息技術(shù)：以光集成技術(shù)為核心的有關(guān)光學(xué)元器件制造的應(yīng)用技術(shù)，利用傳統(tǒng)工藝將有源和無源光學(xué)器件集成在一起，構(gòu)成能完成光學(xué)信息采集處理和存儲(chǔ)等功能的系統(tǒng)

光電信息技術(shù)：光與電子轉(zhuǎn)換及其應(yīng)用技術(shù)，光頻段微電子技術(shù)。傳統(tǒng)的電子技術(shù)微電子技術(shù)光子信息技術(shù)光電信息技術(shù)光電檢測技術(shù)第四頁，共43頁。光電傳感（檢測）技術(shù)是一種以光電傳感器作為核心元件、用光電的方法對(duì)某些物理量、化學(xué)量和幾何量進(jìn)行信息轉(zhuǎn)換的技術(shù)。光電傳感器（PhotoelectricTransducer）組成與分類:光源、光學(xué)通路和光電元件

（1）光電傳感器的探測機(jī)理①光子傳感器:產(chǎn)生光子效應(yīng)

②熱傳感器:吸收了紅外輻射后，會(huì)引起溫度的變化，

（2）光電傳感器輸出信號(hào)的性質(zhì)模擬光學(xué)傳感器、光柵傳感器、光電式傳感器、光纖傳感器、固態(tài)圖像傳感器

（3）光電傳感器的傳輸方式①直射式；②反射式，等；第五頁，共43頁。光電檢測技術(shù)：二十世紀(jì)后半葉，由于光電技術(shù)的

不斷進(jìn)步，信息載體從一般電磁波段逐漸擴(kuò)展到頻

率更高的微波段、光波段，使得高速信息可以被處

理。光電檢測技術(shù)，是對(duì)載有被測信號(hào)的光輻射進(jìn)行檢

測，即通過光電傳感器接收光輻射并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；

再綜合利用信息處理技術(shù)，完成快速的自動(dòng)測量。光電傳感器：基于光電效應(yīng)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的一種光

電器件。第六頁，共43頁。了解并掌握典型的光電器件的原理和特點(diǎn)，會(huì)正確選用光電器件。學(xué)會(huì)根據(jù)光電器件的特點(diǎn)選擇和設(shè)計(jì)光電檢測電路和有關(guān)參數(shù)。能根據(jù)被測對(duì)象的要求，設(shè)計(jì)光電檢測系統(tǒng)?！豆怆妭鞲信c檢測技術(shù)》的學(xué)習(xí)要求：第七頁，共43頁。光電傳感器與敏感器的概念敏感器光電傳感器---光電效應(yīng)：將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)（確定對(duì)應(yīng)關(guān)系）可測非電量光電量光電傳感器被測非電量敏感器第八頁，共43頁。光電探測器的種類類型實(shí)例PN結(jié)PN光電二極管（Si,Ge,GaAs)PIN光電二極管（Si）雪崩光電二極管(Si,Ge)光電晶體管(Si)集成光電傳感器和光電晶閘管(Si)非PN結(jié)光電元件(CdS,CdSe,Se,PbS)熱電元件(PZT,LiTaO3,PbTiO3)電子管類光電管，攝像管，光電倍增管其他類色敏傳感器固體圖象傳感器（SI，CCD/MOS/CPD型）位置檢測用元件（PSD）光電池第九頁，共43頁。光電傳感器件的特性與參數(shù)（1）靈敏度（2）脈沖響應(yīng)特性（3）頻率響應(yīng)特性第十頁，共43頁。（4）光照特性（5）光譜特性（6）溫度特性（7）伏安特性（8）量子效率光電傳感器的光照特性第十一頁，共43頁。光電傳感器的類型根據(jù)光源、光學(xué)系統(tǒng)和光電轉(zhuǎn)換器件放置位置的不同，可分為：1.直射型：光電轉(zhuǎn)換器對(duì)著光源放置，光軸重合，對(duì)于光源

為發(fā)射光通量最大方向，對(duì)于光電器件為靈敏度最高的方向。2.反射型：分為單向反射和漫反射3.輻射型：被測物體本身為一輻射源，光電檢測器通過接收

被測物體的輻射光能量實(shí)現(xiàn)測量。4.遮擋式：待檢測物遮擋部分或全部光束，或周期性地遮擋光

束。5.干涉式：干涉現(xiàn)象，精密測量。第十二頁，共43頁。1.直射式

光透過待檢測物體，其中一部分光通量被待檢測物吸收或散射，另一部分光通量透過待檢物體由光電探測器接收，如上圖所示。被吸收或散射的光通量的數(shù)值決定于待檢測物的性質(zhì)。常用于檢測液體或氣體濃度、透明度或渾濁度，檢測透明薄膜的厚度和質(zhì)量；檢測透明容器的疵病，測量膠片的密度等。1232′4第十三頁，共43頁。2.反射式舉例：轉(zhuǎn)速測量原理圖

反射光通量取決于反射表面的性質(zhì)、狀態(tài)和光源之間的距離。用于光電準(zhǔn)直、激光制導(dǎo)、主動(dòng)式夜視儀、電視攝像、文字判讀、表面粗糙度測試儀等。1232341第十四頁，共43頁。3.輻射式檢測其輻射量的大小就能確定待測量的大小。探測被測物體的輻射功率、光譜分布及溫度等參數(shù)，以便確定待測物體的存在、所處方位以及根據(jù)其光譜分布情況分析研究它的物質(zhì)成份及性質(zhì)，如輻射高溫計(jì)、火警報(bào)警器、偵查跟蹤、光譜分析、熱成像儀等。

待檢測物體1本身就是輻射源，它發(fā)出的輻射能強(qiáng)弱與待檢測物I的性質(zhì)(例如溫度的高低)有關(guān)，用光電探測器3123第十五頁，共43頁。4.遮擋式

根據(jù)被遮擋光通量的大小就可確定待檢測物的形狀，或者待檢測物的位移量；根據(jù)被遮擋光束的次數(shù)就可確定待測物體的個(gè)數(shù)或者待測物體的運(yùn)動(dòng)速度等，相應(yīng)地可用于物體外形尺寸的測量、產(chǎn)品計(jì)數(shù)、光電測速、光控開關(guān)及防盜報(bào)警等。

待檢測物遮擋部分或全部光束，或周期性地遮擋光束，如圖所示。41232′4第十六頁，共43頁。5.干涉式1223456ab1235644ab(a)(b)第十七頁，共43頁。

如圖所示，由光源1發(fā)出的光線經(jīng)過透鏡2照射到分束器3(它可以是半透明半反射的平面鏡成棱鏡)上，經(jīng)分光面把光線分成兩路，一路射向平面反射鏡4作為參考光，另一路6射向待檢測物5，從待檢測物中得到待測信息。例如，圖a中的待測信息可以是位移或振動(dòng)等。圖b中的待測信息可以是待測物體折射率的變化，即濃度或成份變化的信息。光線a和b經(jīng)過4和5后又一起射向光電探測器6，在光電探測器上可檢測到干涉條紋信號(hào)。第十八頁，共43頁。

因此干涉法可用于檢測位移、振動(dòng)、流體的濃度、折射率等。它的檢測靈敏度和精度很高，動(dòng)態(tài)范圍大，但結(jié)構(gòu)和檢測電路復(fù)雜，成本高。第十九頁，共43頁。光電檢測系統(tǒng)光電檢測技術(shù)以激光、紅外、光纖等現(xiàn)代光電器件為基礎(chǔ)，通過對(duì)載有被檢測物體信號(hào)的光輻射（發(fā)射、反射、散射、衍射、折射、透射等）進(jìn)行檢測，即通過光電檢測器件接收光輻射并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。由輸入電路、放大濾波等檢測電路提取有用的信息，再經(jīng)過A/D變換接口輸入微型計(jì)算機(jī)運(yùn)算、處理，最后顯示或打印輸出所需檢測物體的幾何量或物理量。第二十頁，共43頁。光電檢測系統(tǒng)的構(gòu)成變換電路光電傳感光源光學(xué)系統(tǒng)被測對(duì)象光學(xué)變換電信號(hào)處理存儲(chǔ)顯示控制光學(xué)變換電路處理光電檢測系統(tǒng)：光學(xué)變換，光電變換，電路及計(jì)算機(jī)處理。第二十一頁，共43頁。光源光學(xué)系統(tǒng)被測對(duì)象光學(xué)變換光電轉(zhuǎn)換電信號(hào)處理存儲(chǔ)顯示控制光學(xué)變換：通過各種光學(xué)元件和光學(xué)系統(tǒng)，如平面鏡、狹縫、透鏡、棱鏡、光柵、成像系統(tǒng)等來實(shí)現(xiàn)，作用是將被測量轉(zhuǎn)換為光參量（振幅、頻率、相位、偏振態(tài)，傳播方向變化等）。光電轉(zhuǎn)換：由各種光電器件來實(shí)現(xiàn)，如光電檢測器件、光電攝像器件、光電熱敏器件等。光電系統(tǒng)框圖第二十二頁，共43頁。光學(xué)變換時(shí)域變換：調(diào)制振幅、頻率、相位、脈寬空域變換：光學(xué)掃描光學(xué)參量調(diào)制：光強(qiáng)、波長、相位、偏振形成能被光電探測器接收，便于后續(xù)電學(xué)處理的光學(xué)信息。光電變換光電/熱電器件（傳感器）、變換電路、前置放大將信息變?yōu)槟軌蝌?qū)動(dòng)電路處理系統(tǒng)的電信息（電信號(hào)的放大和處理）。電路及計(jì)算機(jī)處理放大、濾波、調(diào)制、解調(diào)、A/D、D/A、微機(jī)與接口、控制。第二十三頁，共43頁。光電檢測系統(tǒng)的功能分類測量檢查型:幾何量:長度、角度、形狀、位置、形變、面積、體積、距離。運(yùn)動(dòng)量：速度、加速度、振動(dòng)表面形狀：光潔度、庇病、傷痕工作過程：濕度、流量、壓力、物位、PH值、濃度等機(jī)械量：重量、壓力、應(yīng)變、壓強(qiáng)電學(xué)量：電流、電壓、電場、磁場光學(xué)量：吸收、反射、透射、光度、色度、波長、光譜控制跟蹤型跟蹤控制：激光制導(dǎo)，紅外制導(dǎo)數(shù)值控制：自動(dòng)定位，圖形加工形成，數(shù)值控制圖象分析型圖形檢測圖形分析第二十四頁，共43頁。光電檢測系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)一般電子檢測系統(tǒng)傳感器信號(hào)變換器輸出環(huán)節(jié)傳感器：從被測對(duì)象中提取被測信號(hào)，轉(zhuǎn)化成便于測量的電參數(shù)信號(hào)變換電路：完成信號(hào)的轉(zhuǎn)換、濾波和放大第二十五頁，共43頁。一般光電系統(tǒng)光發(fā)射機(jī)光學(xué)通道光接收機(jī)光發(fā)射機(jī)：分為主動(dòng)式和被動(dòng)式

主動(dòng)式：光源（或加調(diào)制器）被動(dòng)式：無自身光源，來自被測物體的光熱輻射發(fā)射光學(xué)通道：大氣、空間、水下和光纖等光接收機(jī)：收集入射的光信號(hào)并加以處理，恢復(fù)光載波信息第二十六頁，共43頁。光接收機(jī)的基本結(jié)構(gòu)接收到的光場接收透鏡系統(tǒng)光電檢測器后繼檢測處理器接收透鏡系統(tǒng)：對(duì)光信號(hào)進(jìn)行濾波、聚焦，入射到光檢測器上；光電檢測器：完成光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換；檢測處理電路：完成電信號(hào)的放大、調(diào)理及濾波，恢復(fù)信號(hào)；光接收機(jī)的分類1.功率檢測接收機(jī)—直接檢測或非相干檢測

2.外差檢測接收機(jī)—相干檢測（空間相干）第二十七頁，共43頁。光接收機(jī)的分類圖示透鏡光電檢測器接收到的光場空間濾波器頻率濾波器直接檢測接收機(jī)外差檢測接收機(jī)合束鏡光電檢測器接收到的光場本地激光器本地光場聚焦光場透鏡第二十八頁，共43頁。光電檢測技術(shù)的特點(diǎn)高精度：從地球到月球激光測距的精度達(dá)到：單次測量時(shí)為1米；多次為厘米級(jí)。現(xiàn)知道，月球以每年3.8厘米的速度遠(yuǎn)離地球。高速度：光速是最快的。遠(yuǎn)距離、大量程：遙控、遙測和遙感。非接觸式檢測：不改變被測物體性質(zhì)的條件下進(jìn)行測量。壽命長：光電檢測中通常無機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分，故測量裝置壽命長，工作可靠、準(zhǔn)確度高，對(duì)被測物無形狀和大小要求。數(shù)字化和智能化：強(qiáng)的信息處理、運(yùn)算和控制能力。第二十九頁，共43頁。光電檢測方法直接作用法差動(dòng)測量法補(bǔ)償測量法脈沖測量法第三十頁，共43頁。I、直接作用法：受被測物理量控制的光通量，經(jīng)光電接收器轉(zhuǎn)換后由檢測機(jī)構(gòu)可直接得到所求被測物理量。被測物理量光通量光電傳感器放大、定標(biāo)直接讀數(shù)光電系統(tǒng)的基本模型第三十一頁，共43頁。II、差動(dòng)測量法：利用被測量與某一標(biāo)準(zhǔn)量相比較，所得差或數(shù)值比可反應(yīng)被測量的大小。放大相敏檢波器uACREUL調(diào)制盤被測物光楔反光鏡Φ2Φ1雙光路差動(dòng)測量法測量物體長度第三十二頁，共43頁。III、補(bǔ)償測量法：原理：是用光或電的方法補(bǔ)償由被測量變化而引起的光通量變化，補(bǔ)償器的可動(dòng)元件連接讀數(shù)裝置指示出補(bǔ)償量值，其大小反應(yīng)被測量變化大小。例：由相敏檢波器輸出控制光楔上下移動(dòng)，使Φ1-Φ2=0，光楔移動(dòng)與讀數(shù)機(jī)構(gòu)相連，讀數(shù)反映光通量的變化量，即被測值。放大相敏檢波器uACREUL調(diào)制盤被測物光楔反光鏡Φ2Φ1移動(dòng)控制及讀數(shù)顯示第三十三頁，共43頁。IV、脈沖測量法：原理：測量中將被測量的光通量轉(zhuǎn)換成電脈沖，其參數(shù)（脈寬，相位，頻率，脈沖數(shù)量等）反映被測量的大小。1、脈寬方法測長度：測量關(guān)系式：

L=v*t=v*k*N=K*Nk---高頻脈沖時(shí)間當(dāng)量K---長度當(dāng)量N---計(jì)數(shù)器值高頻脈沖可取自電動(dòng)機(jī)或轉(zhuǎn)動(dòng)輪上脈沖，消除不勻速帶來的誤差。vnR1ER2高頻脈沖N計(jì)數(shù)器第三十四頁，共43頁。光電檢測技術(shù)發(fā)展趨勢納米、亞納米高精度的光電測量新技術(shù)。小型、快速的微型光、機(jī)、電檢測系統(tǒng)。非接觸、快速在線測量。微空間三維測量技術(shù)和大空間三維測量技術(shù)。閉環(huán)控制的光電檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)光電測量與光電控制一體化。向人們無法觸及的領(lǐng)域發(fā)展。光電跟蹤與光電掃描測量技術(shù)。第三十五頁，共43頁。一、在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用在線檢測：零件尺寸、產(chǎn)品缺陷、裝配定位….現(xiàn)代工程裝備中，檢測環(huán)節(jié)的成本約占50~70%光電檢測技術(shù)的應(yīng)用第三十六頁，共43頁。二、光電檢測技術(shù)在日常生活中的應(yīng)用

家用電器：數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)：自動(dòng)對(duì)焦---紅外測距傳感器數(shù)字體溫計(jì)：接觸式---熱敏電阻，非接觸式---紅外傳感器自動(dòng)感應(yīng)燈：亮度檢測---光敏電阻空調(diào)、冰箱、電飯煲：溫度檢測---熱敏電阻、熱電偶電話、麥克風(fēng)：話音轉(zhuǎn)換---駐極電容傳感器遙控接收：紅外檢測---光敏二極管、光敏三極管辦公商務(wù)：可視對(duì)講、可視電話：圖像獲取---面陣CCD掃描儀：文檔掃描---線陣CCD紅外傳輸數(shù)據(jù)：紅外檢測---光敏二極管、光敏三極管醫(yī)療衛(wèi)生：電子血壓計(jì)：血壓檢測---壓力傳感器血糖測試儀、膽固醇檢測儀---離子傳感器第三十七頁，共43頁。三、檢測技術(shù)在軍事上的應(yīng)用美軍研制的未來單兵作戰(zhàn)武器夜視瞄準(zhǔn)機(jī)系統(tǒng)：非冷卻紅外傳感器技術(shù)激光測距儀：可精確的定位目標(biāo)。第三十八頁，共43頁。

實(shí)例介紹一、幾種簡單的光電檢測系統(tǒng)舉例

1、光電計(jì)數(shù)器

2、紅外報(bào)警器

3、光通信

4、轉(zhuǎn)速（角速度）的光電檢測

5、脈沖激光測距二、光電檢測系統(tǒng)的主要構(gòu)成及工作原理第三十九頁，共43頁。圖示為在傳送帶上對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行計(jì)數(shù)的原理圖。傳送帶7上無產(chǎn)品時(shí)，光源1發(fā)出的光線，經(jīng)透鏡2和2’射向光電器件3；